指向创新思维培养的思维可视化工具设计研究

贺玉婷 蔡建东

*该文为河南大学研究生培养创新与质量提升行动计划项目“学习科学视阈下中小学教师信息素养提升路径与对策研究”（SYLYC2022032）、河南省智慧教育课题“智慧学习空间下师范生信息化教学能力培养路径”、郑州师范学院教学改革项目“智慧学习空间中科学师范生数字素养提升策略研究”（JSJY-232343）的研究成果

创新思维是核心素养的重要组成部分。思维可视化工具以其独特的优势，能有效助力创新思维的发展。然而，教师如何设计基于创新思维培养的思维可视化工具成为亟待解决的问题。思维可视化工具可以为培养创新思维提供显性载体、直观图像、互动平台、整合手段。教师应遵循以“创新思维提升为目的、以学生发展特点为原点、以科学问题解决为驱动、以科学教学内容为依据”的设计原则，在设计流程上以“问题解决”为思路，运用“主观—客观—互动—技术—方式”的策略，有效地设计思维可视化工具，以促进学生创新思维的发展。

創新思维培养；思维可视化工具；小学科学；科学教育

贺玉婷，蔡建东.指向创新思维培养的思维可视化工具设计研究[J].教学与管理，2024（15）：90-94.

党的二十大报告指出，要坚定科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略。创新型人才的培养是国家战略层面高度关注的问题。创新型人才的培养应考虑个体的意识、思维和能力三个层面，其中思维是意识向能力转化的关键[1]。随着新一轮以“核心素养”为引领的教学改革不断深化，作为六大核心素养之一的“实践创新”，更加凸显了“创新”的重要性。因此，培养学生的创新思维是当前教育领域一项重要任务。

近年来，思维可视化工具在小学阶段已广泛使用。然而，有些教师在使用工具时仅局限于使用“思维导图”，并且仅用于梳理知识结构，未能有效促进学生思维的发展；还有些教师虽然让学生以作业的形式做思维图示，但将重点放在了艺术美观层面上。针对大多数教师已意识到思维可视化工具的重要性但不知道如何设计和运用的问题，本研究以小学科学课程为例，探讨如何利用思维可视化工具提高学生的创新思维，为小学教师提供思维可视化工具的设计思路与策略。

一、运用思维可视化工具培养创新思维的可行性

创新思维是在不能用原有方法对问题进行有效解决时，突破思维定势与惯例，用新的方法和途径去观察、分析问题的过程[2]。思维可视化工具是将学生学习和思考的过程以图示技术进行视觉表征的思维工具[3]。运用思维可视化工具可以为培养创新思维提供显性载体、直观图像、互动平台和整合手段。

1.思维可视化工具为创新思维提供显性载体

思维可视化工具是现代教育和技术结合的产物，它为创新思维提供了一种显性的载体。这些工具能够将人们头脑中难以捉摸的创意和想法转化为直观的图形和图像，使得原本隐性的创新思维得以显性化，抽象的概念变得形象易懂，复杂的思考过程被具体化[4]，从而更易于理解和交流。通过运用色彩、符号、空间布局等多种视觉元素，这些工具以可视化、动态化、非线性的方式展示了思维的全过程，不仅有助于学生对知识的内化与迁移，还能有效激发思维潜能，促进创新思维的发展。思维可视化工具还可以展示学生的创新思维过程，并对其进行反思和改进。

2.思维可视化工具为创新思维提供直观图像

思维可视化工具以直观展示复杂概念和思考过程的独特方式，极大地促进了创新思维的激发。此工具可以利用色彩、图形、结构等将复杂概念可视化，激发创新思维，是高效的信息传递方式。图像化呈现能唤醒右脑深层思维，促进深度探讨和创新碰撞，形成思维与图像间的良性互动。利用思维可视化工具良好的建构性、直观性和交流的互动感，可以将抽象、难以理解的创新思维具象为学生可以感知、易于理解的图示等，作为支撑学生创新思维发展的载体。通过可视化工具中的关键词和图像的组合，可以激活右脑创新力，明确思考焦点。要发挥这些工具的作用，需结合具体情境精准应用，融合视觉元素和深度思考机制，有效提升学生创新思维技能。

3.思维可视化工具为创新思维提供互动平台

思维可视化工具提供了一个自由、灵活且高度互动的平台，以一种更加直观和动态的方式思考问题，从而激发创意与创新。首先，可以利用思维可视化工具的灵活性，随时重新组织、合并或分裂各个节点，这种灵活性有助于不断调整和改进想法，从而推动创新思维发展；再次，思维可视化工具的无限延展性，能够激励用户从一个点发散出更多想法，这种视觉化的呈现有助于寻找到更多关联和创新的可能性。最后，思维可视化工具可以实现师生、生生之间的思维互动，集体智慧和多元观点的融合是创新的重要源泉。

4.思维可视化工具为创新思维提供整合手段

利用思维可视化工具的关联性思考能够促进创新思维的整合。思维可视化工具可以通过视觉化方式促进思维的发散，其中心向外延展的分支结构支持从中心问题向外发散的思考模式。这种模式可以促进学生主动探索新概念的多个方面和层次，从而可能产生新的想法或洞见，学生通过分支的延伸，在不同概念、事实和想法之间建立连接。这种关联性的思考方式有助于发掘不同思维之间的潜在联系，是思维整合的有效手段之一。

总之，思维可视化工具可以在不断使用的过程之中被学生内化，成为学生日后思考的常用方式方法，提高学生自己的思维能力。长期运用思维可视化工具，可以帮助学生形成系统的思考习惯，提高解决问题的效率和创造力。

二、运用思维可视化工具培养创新思维的着力点

为有效提升创新思维，设计思维可视化工具时应找准着力点。着力点的选择可以从创新思维和思维可视化工具的分类中展开。创新思维是通过独特的视角和方法来解决问题或实现目标。创新思维包括发散思维、辩证思维、形象思维、直觉思维、逻辑思维、横纵思维这六种思维。其中，发散思维和辩证思维是创新思维的核心，如图1所示。

思维可视化工具包括：概念图、思维导图、思维地图、图表（如条形图、折线图、饼图等）、韦恩图、六顶思考帽、SWOT分析、SCAMPER创新思维、鱼骨图、组织框架图、时间线图、Compass Points。思维可视化工具中的概念图、思维导图、思维地图、图表等包括多种子分类。相较而言，概念图和思维导图更为综合，可以在一种工具中体现出事物的多方面关系[7]，思维地图和韦恩图则主要研究针对事物相关的一种思维逻辑[8]。

不同的思维可视化工具对思维的发展有不同的着力点。思维可视化工具的种类繁多，为了便于教师精准选择促进创新思维的思维可视化工具，笔者深入研究不同思维可视化工具及子工具的不同特点、功能、结构、着力点等方面，结合创新思维要素的特征、培养要点，从思维可视化工具中筛选出能够促进创新思维发展的工具。表1所呈现的十余种促进创新思维发展的思维可视化工具，可以方便教师选择使用。例如，思维导图的子工具——辐射型思维导图具有发散性、逻辑性、直觉性等特点，利用这一工具对培养学生发散思维、逻辑思维、直觉思维等思维能力可以起到促进作用。教师可以依据创新思维的具体培养目标，依据此表选择合适的思维可视化工具。

三、指向创新思维培养的思维可视化工具设计思路

1.设计原则

（1）以创新思维提升为目的

设计思维可视化工具应以培养学生创新思维为目的。思维可视化工具分类、功能较多，应选择并设计能够培养创新思维的工具。在设计思维可视化工具时，应以引导学生跳出传统的思维模式，以更具创意和独特性的视角来审视问题为目的。学生可以基于自己发现的新视角，积极探索解决问题的新思路和研究事物的新方法。学生将能够在特定情境中实现对知识的创新性理解，并将其融入自己已有的知识体系中，从而使学生的逻辑思维和辩证思维能力不断提升。因此，教师应考虑学生在不同学龄阶段的思维发展进阶性，设计相应的进阶性应用工具。

（2）以学生发展特点为原点

学生发展是创新思维可视化工具设计的原点。教师设计时应做到以下几点：第一，明确学生发展特点和知识基础。教师要明确现阶段学生身心发展特点，在学生已有知识基础之上来设计创新思维可视化工具。第二，注意操作的可行性和思维进阶的合理性设计。小学生在不同年龄阶段的思维发展特点是不一样的。因此，设计应用思维可视化工具时，需要考虑学生发展阶段特点，确保工具的进阶性和适用性。同时，为了满足学生审美需求，激发学习兴趣，教师也可以设计色彩丰富、美观生动的思维可视化工具[9]。第三，以学生为设计主体，发挥学生主观能动性。教师可以让学生参与到思维可视化工具的设计中，学生会更有参与感，更能发挥主观能动性。

（3）以科学问题解决为驱动

思维可视化工具应以解决实际科学问题为驱动。由于创新思维本质上是由外在动机驱动，或源于超越先前标准的需要[10]，以实际需求为基础，因此基于实际生活的科学问题作为驱动尤为重要。“问题”对学生学习的渐进性起到引导作用，有助于提升学生的核心素养。首先，教师在创设问题情境时，可以联系生活实际、学生感兴趣的主题或跨学科问题。教师可利用学生面对问题时新旧知识矛盾的困惑，引导学生深入思考和探索，寻找解决方法。其次，问题解决可以以小组为单位，协作设计思维可视化工具，让学生在解决问题的过程中相互学习，将问题解决的过程，以思维可视化工具为载体显现。最后，以思维可视化工具作为评价的依据，通过对问题解决过程的记录和呈现，可以对团队成员的表现进行客观评价和分析。

（4）以科学教学内容为依据

思维可视化工具作为科学教学的辅助手段，以教材内容作为信息传递的载体。将思维可视化工具融入教学设计中，不仅能帮助学生更好地理解并掌握基礎知识，也能通过这一工具的运用激发学生的科学创新思维。因此，在教学设计的每一个环节，教师都要紧密围绕教学内容，结合学生当前的思维水平和认知需求，确保思维可视化工具能够与学生的学习需求相契合，同时也能够符合科学教育的规律和要求，做到自然、和谐地融入课堂教育教学之中，从而有效推动学生科学创新思维的不断发展。

2.设计流程

思维可视化工具支持下的科学教学，能够将思考问题的角度和解决问题的思路以符号的形式进行外显，以工具簇的形式针对事物进行相对更为全面、具体的角度剖析。为使教师明确培养创新思维的思维可视化工具设计流程，笔者设计了如图2所示的流程图。此图依据桑新民的“太极课堂”理念[11]，以圆环形顺时针的方式构建模型，既能体现“教”与“学”教学相长、和谐共济、互相转化的关系，又能够体现学生中心、教师支持、师生共建的课堂理念，并将学生活动作为设计的重要环节。为突出学生主体地位，将学生活动的圆形放在外围，教师活动放在内围。学生活动与教师活动的某些环节是相对应的，在设计模式时要体现两者的对应关系。在课前，教师要明确工具的用途，对于课堂中要用的思维工具做到心中有数。随后，在课堂教学环节创设问题情境，激发认知冲突。接着使用思维工具将思维显性化，指导学生重新审视自己的思维过程，在审视回顾过程中，逐渐对知识有更深度的剖析，随后可以借助工具辅助完成教师布置的变式习题，进一步巩固深化，完成思维的内化与迁移。

3.设计案例

本研究以大象版五年级下册第五单元第五节“我们的空投包”为例，为教师设计思维图示提供参考。“我们的空投包”一课属于“技术与工程”领域，需要学生运用所学的仿生学知识，自主设计并制作一个空投包。

在设计环节，教师可以先设置问题情境“如何为受灾地区群众投放救灾物资”引出“空投包”这一主题。教师通过启发性提问——“一个合格的空投包应该具有哪些功能”引导学生自主讨论。由于小学生对形状、颜色和形式的关注度较高，笔者设计“空投包的功能”花瓣—圆圈图，如图3所示，以心形代替圆形，为学生提供视觉新鲜感，激发学生的兴趣。教师可以引导学生在花瓣图的花瓣中填写空投包的功能，之后进一步提问——“要想实现这些功能，应该怎样设计空投包的结构”组织学生开展交流讨论、头脑风暴，可以以彩色便利贴的形式，将答案填写在对应的小花瓣上，不仅可以使学生更好地理解功能与结构的关系，还能促进其发散思维的发展。

在挑选空投包的制作材料时，可以使用双气泡图用来对比不同的材料共性与特性，以期获得更加适合的材料。

在交流讨论环节，教师带领学生回忆制作过程并完成“六顶思考帽图”。“六顶思考帽图”中不同的帽子代表不同的角色，培养学生不同的思维方式，如黑色帽子关注学生问题识别以及对方案的批评和质疑的能力。教师通过提问——“你们在设计与制作的过程中遇到了哪些问题以及如何解决的”引导学生重新审视制作过程，培养学生的批判性思维以及问题解决能力。从不同颜色帽子的功能出发，完成对知识的巩固以及培养学生从多角度进行思考的能力。

四、指向创新思维培养的思维可视化工具设计策略

1.理解创新本质，掌握工具内核

理解创新的本质和掌握工具的使用是提升教学质量和效率的关键因素。理解创新的本质意味着教师能够洞察新思想、新技术背后的基本理念与运作机制，从而引导学生超越传统学习模式，激发他们的探究精神和创造力。理解并掌握思维可视化工具的相关理论是有效进行工具设计的前提，教师需精通其功能、类型、设计手段及适应内容，以便在课堂教学中精准应用。同时密切关注学生课堂反馈，实时监测使用可视化工具的教学效果，以此验证教学设计的适用性。遇到问题时，及时与其他教师交流求解，灵活调整教学方案，确保教学设计与时俱进并契合实际需求。

2.遵循发展阶段，设计适切工具

设计思维可视化工具应当依据学生发展阶段，确保适切性和递进性。首先，设计思维可视化工具时，须遵循学生发展阶段的特点，确保工具的适切性和递进性。其次，低年级阶段不宜过早引入复杂逻辑训练，高年级阶段则应利用学生已积累的知识基础，指导他们进行更深层次的思维探索。再次，针对不同难度的思维可视化工具，教师应遵循由易到难的教学原则，逐步引入新的工具类型。最后，在策划和设计思维可视化教学工具时，需要紧密贴合学生思维发展特性，设立清晰的教学目标，创造出既易理解、操作，又能促进其思维能力进步的教学手段。教师在设计思维可视化工具时，应尊重学生认知规律，有效推动学生思维能力提升。

3.注重学生参与，促进师生互动

运用思维可视化工具重新定位师生角色，能够更好地凸显学生的主体地位。第一，教师在课堂上，注重让学生全程参与对思维可视化工具的设计与制作，既可以让学生独立完成，也可以小组内协作，帮助学生在探究中发现问题，解决问题。第二，教师鼓励学生大胆提出个人观点，这样有利于产生多元创意成果。第三，利用思维可视化工具的互动功能，可以实现师生、生生之间的思想交互，进一步提升教学质量和学习效果，不仅有利于提高学生的思维能力和创新能力，还可以促进教师和学生之间的互动、交流。

4.运用技术手段，创新学习方式

运用信息技术手段可以为学生构建一个更加高效、互动和个性化的学习环境。在技术支持下，思维可视化工具可以为学习者自主建构知识提供思维策略和方法，通过引导和优化学习者内部思考来提升学习者的思维技能[12]。教师可利用CmapTools、Xmind、WPS思维导图等软件制作思维图示，这些工具相比手绘而言，更加便捷、高效、灵活、多样。同时，引导学生使用这些技术工具，参与集体讨论与思维共建。在条件允许的情况下，通过电子书包实现在线协作式的思维可视化，打破传统时空限制，增强学生自主与选择权，满足个性化学习需求。

5.动态呈现工具，激活思维显现

利用动态化的思维工具，能有效促进学生思维的显现过程。教师在展示思维图示时，通过动画设置将静态的思维地图变为动态形式，清晰地展现思维显现化的过程。这样的思维可视化工具让复杂、抽象的知识变得直观易懂，有助于学生深入理解知識并培养思维能力。因此，在学科课堂上，动态思维工具得到了广泛应用。随着现代教育技术的迅猛发展，信息化教学已成为教育教学活动的重要趋势。教师可以借助信息化手段，利用Flash、来画、Focusky等动画制作软件，达到更好的教学效果，从而增强师生互动，营造积极的课堂氛围。这些生动有趣的思维工具不仅有助于学生深度理解知识内容，更能激发他们的学习兴趣，活跃思维。

本研究以小学科学为例，提出培养创新思维可视化工具的设计分类、设计思路和设计策略，旨在为不同学科背景的教师在设计思维图示时提供参考借鉴。在后续研究中，笔者会通过实证的方式进一步验证思维可视化工具设计在提高学生创新思维中的有效性；研究思维策略工具如何更好地与思维可视化工具的结合，发挥出思维工具更大的价值；探索思维可视化工具如何设计能更好地促进批判性思维、创造性思维等高阶思维能力的发展等，为学生思维能力提升做出努力。

参考文献

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[11] 桑新民，李曙华，谢阳斌.21世纪：大学课堂向何处去？——“太极学堂”的理念与实践探索[J].开放教育研究，2012，18（02）：9-21.

[12] 赵国庆，段艳艳，赵晓玉，等.面向智慧学习的认知工具与思维工具[J].现代远程教育研究，2022，34（03）：96-103.

[作者：贺玉婷（1987-），女，河南平顶山人，河南大学教育学部，博士生；蔡建东（1974-），男，河南汝南人，河南大学教育学部，教授，博士生导师。]

【责任编辑    郑雪凌】